Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления в прямоточном сотовом уплотнении

 

Объект исследования: прямоточное сотовое уплотнение.

Результаты, полученные лично автором: создан экспериментальный стенд для исследования гидравлического сопротивления в статических моделях прямоточного сотового уплотнения, получены экспериментальные зависимости, отражающие влияние на расход через уплотнение геометрических и режимных параметров.

 

Одним из перспективных направлений развития турбостроения является повышение экономичности и надежности работы турбоустановки за счет сокращения потерь энергии, связанных с утечками рабочего тела через различные зазоры между неподвижными и вращающимися деталями турбоагрегата.

Рис. 1. Схема щелевого канала с сотовой структурой на одной из стенок

Для исследования гидродинамического сопротивления канала с сотовой структурой была создана экспериментальная установка, газодинамический тракт рабочего участка которой представлял собой канал прямоугольного сечения шириной B =60 мм и длиной L₀ =230 мм (рис. 1).

Для обработки опытных данных использовались следующие геометрические комплексы:

– относительная глубина сотовых ячеек; – относительная высота канала над поверхностью с сотовой структурой.

Набор изготовленных пластин с сотовой структурой позволил исследовать гидравлическое сопротивление при следующих значениях определяющих параметров: =0,2…1,25; =0,5…1,0. Также он позволил выявить влияние каждого из этих факторов в отдельности. Такое сочетание конструктивных параметров стенда обеспечивало исследование гидравлического сопротивления в диапазоне режимов течения .

Методики обработки и обобщения опытных данных. Целью экспериментальных исследований являлось определение коэффициента гидравлического сопротивления контрольного участка канала с сотовой структурой на одной из поверхностей.

Для этого использовалось уравнение Бернулли для сжимаемых потоков в дифференциальной форме , которое с учетом уравнения неразрывности и состояния после интегрирования для случая изотермического потока в канале постоянного сечения приобретает вид , где и – величина массового расхода воздуха и площадь поперечного сечения канала соответственно; L – длина контрольного участка канала; – гидравлический диаметр канала; R, T – газовая постоянная и температура рабочего тела; p_вх, p_вых – давления рабочего тела на входе и выходе рабочего канала; – изменение (потери) статического давления в потоке рабочего тела на контрольной длине L канала.

Экспериментальные исследования проводились в изотермических условиях без теплообмена продувкой воздухом с температурой Т_н окружающей среды. Изменение коэффициента гидравлического сопротивления на контрольном участке канала представлялось в виде зависимости от числа , где – массовая скорость потока, вычисленная по исходной площади канала ; – гидравлический диаметр канала, вычисленный без учета влияния сотовой структуры на объем и поверхность канала.

Рис. 2. Влияние относительной глубины сотовой структуры на гидродинамическое сопротивление канала

На основе полученных экспериментальных данных были построены зависимости степени интенсификации сопротивления в канале с сотовой структурой при различной ее относительной глубине (рис. 2).

Как видно из рисунка, степень интенсификации сопротивления не прямо пропорциональна величине , а имеет максимум при , зависящий от величины относительного зазора Особенно указанное явление заметно при малых зазорах
( =0,5), что объясняется усилившимся влиянием противоположной стенки на течение в канале и деформацией характерного для сотовой поверхности поля скоростей.

На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что характер течения и гидродинамическое сопротивление в канале с сотовой структурой значительно зависят от режима течения () и геометрических параметров канала () и самой структуры (). В зависимости от относительного зазора изменяется не только величина сопротивления канала, но и максимальное ее значение при различной относительной глубине . Описанные явления указывают на необходимость дальнейшего детального исследования влияния режимных и геометрических параметров на течение в канале с сотовой структурой.

Материал поступил в редколлегию 02.05.2017

УДК 005.007

А.Н. Солдатов, М.О. Ашхотов

Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», доцент, к.т.н., А.В. Осипов

[email protected]

МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА (СПГ) НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ (ТД) УСТАНОВОК

Объект исследования: процесс получения СПГ на ГРС с использованием турбодетандерных установок.

Результаты, полученные авторами: изучена методика получения СПГ на ГРС с использованием турбодетандерных установок.

 

В России, как стране с развитой сетью магистральных газопроводов, ресурсной базой создания малых производств СПГ являются расположенные на них многочисленные крупные и средние газораспределительные станции - ГРС, а также сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций – АГНКС.

Сжижение природного газа осуществляется без дополнительных затрат электроэнергии только за счет использования разности давлений на входе и выходе ГРС на основе применения турбодетандерных установок.

Сжиженный природный газ (СПГ) получается из природного газа методом охлаждения его до криогенных температур: –160…–130 С. Температура кипения при атмосферном давлении: – 162… – 160 С.

Турбодетандер представляет собой обычную газовую турбину, которая работает на перепаде давления газа. Основной целью такого аппарата является расширить газ для его дальнейшего охлаждения. Турбодетандер осуществляет низкотемпературную обработку газа в различных промышленных установках, а так же принимает непосредственное участие в разделении многокомпонентных газовых смесей и в сжижении газа. Конструкция турбодетандера состоит из корпуса, ротора, соплового регулируемого аппарата и направляющего аппарата, который оборудован необходимыми поворотными механизмами.

На рис. 1 приведена принципиальная схема установки сжижения ПГ, разработанной применительно к ГРС с расходом природного газа 8000 нм3/ч, с расчетным давлением на входе в ГРС, равным 3,3 МПа, и на выходе - 0,28-0,6 МПа. Расчетная производительность установки по СПГ равна 24 тоннам в сутки.

Рис. 1. Принципиальная схема установки сжижения ПГ

Установка сжижения природного газа состоит из блока теплообменников вымораживателей, системы охлаждения компримированного газа, блока сжижения, двухступенчатого турбодетандер-компрессорного агрегата, автоматизированной системы контроля и управления работой установки (АСКУ), арматуры, в том числе управляемой, и КИП.

Для регенерации используется очищенный нагретый газ, что связано с дополнительными затратами энергии и часто - отвлечением части очищенного газа на нагрев и охлаждение адсорбента. При этом производительность блока адсорбционной очистки снижается из-за количества газа, направляемого на регенерацию. Это количество иногда может составлять более 20% от расхода газа, подаваемого на блок очистки.

Себестоимость СПГ, полученного по разработанной технологии, на 30-40% ниже себестоимости СПГ, полученного на АГНКС. Срок окупаемости капитальных вложений с использованием СПГ составит около 3 лет, против ранее полученных 6 лет. Для сравнения: при трубопроводном природном газе эта окупаемость составляет около девяти лет.

Материал поступил в редколлегию 4.04.2017

 

УДК 621.4

В.В. Соничев

Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», к.т.н.,

В.В. Рогалёв

[email protected]